教仪开放使用控制系统小型化RFID模块设计

潘世华

摘 要 基于P89LPC931微控制器和MF RC530读写芯片，为教仪开放使用控制系统设计一种小型、低功耗、低成本的高频RFID读卡模块，该模块可以通过RS232或SPI接口进行通信。详细说明模块的电路设计及通信规范，该模块可作为其他应用系统中的通用RFID读写模块。

关键词 教仪开放使用控制系统；RFID模块；微控制器；读写芯片

中图分类号：TN919 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）04-0038-04

Design of Small Type RFID Module for Teaching Instrument Open Access Control System//PAN Shihua

Abstract Based on P89LPC931 microcontroller and MF RC530， a small type， low power consumption， low cost， high frequency RFID card reader module is designed for Teaching Instrument Open Access Control System. The module can communicate through RS232 or SPI interface. This article details the module circuit design and communication specification， and the module can be used for other application system as a general RFID read-write module.

Key words teaching instrument open access control system； RFID Module； microcontroller； Read and Write Chip

1 引言

基于RFID的教仪开放使用控制系统（见图1），通过RFID授权进行教仪设备供电控制，从而实现教仪设备开放使用的目的。系统中包含一个教仪使用授权的RFID模块，该模块是一种低成本、小型通用、高可靠的高频RFID模块，可用于：1）应用系统的IC卡的发行和管理；2）本系统控制的IC卡识别与记录回写；3）其他RFID应用系统的通用读写模块。

2 模块设计方案

由于13.56 MHz高频RFID在校园、市民卡等公共应用中非常普及[1]，本系统采用ISO14443A协议的高频RFID。目前支持ISO14443A协议的RFID读写芯片很多，本系统采用NXP的MFRC530[2]。该芯片的应用已非常成熟，它利用先进的调制和解调概念，集成了13.56 MHz的被动非接触式通信方式和协议的所有类型，支持ISO14443A多层协议。内部的发送器部分不需增加有源电路就能够直接驱动近距天线（可达10 cm）；接收器部分则包含一个先进的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容信号的应答；内部的数字部分负责ISO14443A帧及奇偶CRC错误检测。它支持用于验证MIFARE系列产品的快速CRYPTO1加密算法。

模块的处理器采用NXP的P89LPC931微控制器，同一生产商的IC更好保证产品的可靠性。P89LPC931是8位微处理器，内含8 K字节可擦除程序存储器Flash和256字节RAM数据存储器，为2时钟的80C51内核，与标准80C51指令系统兼容，但它指令执行只需2～4个时钟周期，速度是标准80C51处理器的6倍，且集成了更多的系统级功能，从而有效减少模块的元器件数目和PCB面积，可以满足高集成度、低成本的应用需求。

另外，本模块还提供SPI、RS232通信接口，并通过232-USB转换模块，可以直接和PC机的USB口通信。RFID读写模块的结构如图2所示。

3 模块硬件设计

控制器及外围电路 控制器采用28脚TSSOP小型封装的P89LPC931FDH，充分利用芯片内部资源，减少外围器件电路。采用片内独立振荡器的看门狗定时器，使用片内上电复位电路，低电平复位，不需要外接元件，且其片内的复位干扰抑制电路和复位计数器可有效防止不完全或虚假的复位。同时，采用其低电压掉电检测的功能，可在电源故障时做应急处理，如让系统安全关闭。采用片内RC振荡器，震荡频率设置为7.373 MHz，亦无需外接振荡器件。所有的端口均有LED驱动能力（20 mA），可根据需要将各端口编程设置为准双向、开漏输出、推挽输出或仅为输入功能，不用外接上拉电阻。控制器及外围电路如图3所示，外围器件极少[3]。

RFID读写芯片及天线电路 RFID读写芯片电路图如图4所示[4]，非接触式IC卡（Mifare）读写芯片选用SO32封装的MFRC530。该芯片使用了3个独立的电源，在设计时需要特别关注其电源线的布局，DVDD、AVDD、TVDD分别提供数字部分、模拟部分和射频发射器部分的电源，以实现其在EMC和信号退耦方面能够达到最佳性能。虽然本模块采用一个统一的+3.3 V直流电源供电，但在PCB设计时要细心布局这三个电源线和对应的地线，如图4和图5中的Vdd-Gdd、Vaa-Gaa、Vtt-Gtt。采用四层PCB设计更易实现其最佳性能。条件允许的话，模拟部分和射频发射器部分的电源采用+5 V供电，以增加RFID的操作距离，达到出色的RF性能。

天线部分电路如图5所示，MFRC530的非接触式天线使用4个管脚：TX1、TX2、WMID、RX（表1）。

根据内部寄存器的设定，MFRC530对要通过天线发射的数据进行调制（100%调制变形的Miller编码），得到的射频信号经过TX1和TX2来驱动天线，并发送13.56 MHz的能量载波。天线拾取的RFID卡片发回的回波信号（为10%调制的Manchester编码信号），由天线匹配回路送至RX脚，MFRC530的内部接收器对此回波信号进行检测并解调，然后根据寄存器的设定进行相关的处理，再将数据由并行接口发送给微控制器。

Miller码波形调制的幅度大，数据易于识别，但其中间会有短时间（3 ?s）无波形的现象，这样就会有瞬间不能向RFID卡发送载波能量，要求卡片中有较大的电源滤波电容以保持电源的稳定。在RFID射频电路的设计中，需要抑制和防止电磁干扰，有效提高其电磁兼容性。PCB要选择介电常数小的基材，电路的数字部分和模拟射频部分分开进行供电处理。射频部分尽量使用表面贴装小型元件，尽量减少过孔，采用多层PCB设计加接地金属屏蔽层。

MFRC530数据读写控制端口ALE、CS、RD、WR分别为控制器的P1.7、P2.1、P2.6、P2.7，内部产生的VMID电位分压后作为管脚RX的输入电位。为减少干扰扰动，需用电容C9将VMID接地。

接口电路 本模块对外部的通信方式有两种，分别是RS232和三线SPI，对应的接口是J2和J3。RS232采用3.3 V

供电的MAX3221进行电平转换，可以和PC机等进行基于标准RS232的数据通信。SPI则是TTL电平的接口，方便短距离模块间的通信。为方便模块的应用和调试，设立了3.3 V的电源接口J1，P89LPC931的编程接口J4，如图6所示。

4 模块通信规范设计

本模块（暂命名为LPC530模块）可方便地通过RS232或三线SPI与任何控制器进行接口。在应用中，本模块作为从机使用，外部控制器为主机。

RS-232串行通信接口规范 LPC530模块可通过标准RS-232接口与外部控制器进行UART通信。

UART接口一帧的数据格式为1个起始位，8个数据位，无奇偶校验位，1个停止位，波特率为19200。其控制字符定义如表2。

通信必须先由外部控制器（主机）发送命令和数据给LPC530（从机），LPC530执行命令完毕后，将命令执行的状态和响应数据发回外部控制器。

外部控制器发送格式见表3。

然后外部控制器（主机）等待LPC530发回的状态和响应数据。若在300 ms内没有检测到响应，则退出本次传输，进行通信错误处理，如表4所示。

三线SPI串行通信接口规范 LPC530模块也可方便地通过三线SPI与外部控制模块（下称主控模块）进行接口。在该应用中，本模块也作为从机使用。

三线SPI分别为片选使能线SS、数据线SDATA以及时钟线SCLK。主控模块和LPC530通过这三线相连，该三线上的实际电平是主从双方口线上状态的逻辑。

在接口空闲时，主控模块的SS置1，SCLK清0，SDATA为0；LPC53的SS置1，SDATA为0。其中片选SS和数据线SDATA是双向的。时钟线SCLK由主控模块产生，是单向的，其时序要求严格，必须遵从，否则通信将不会成功。

SS是数据发送的使能信号。如果一方要将数据发给另一方，则SS由该方控制，将SS线设为0，并在数据发送结束后将SS线置为1，数据接收方不得控制SS线。

数据线SDATA由数据发送方控制，接收方必须释放该线。

1）时序图。SPI线上信号的波形如图7所示。由图中可以看出，要进行数据传输时，要将SS设为低电平，此时时钟SCLK和数据线SDATA信号才有效，且SDATA的变化应该在SCLK为低电平时进行；在SCLK为高电平时，SDATA应保持不变，变化无效。

2）外部控制器向LPC530写数据（主机向从机传输）。如表5所示，除信号响应外，SPI三线上的信号均由外部控制器（主机）产生。首先由主机在SS线上生成一个下降沿，向从机发出数据传输的请求信号，等待LPC530（从机）响应（从机将SDATA置高电平）；有响应后该次数据传输开始，从机在SCLK为高电平时读取SDATA线上的状态。主机在数据传输完毕后将SS线置为高电平，结束本次传输。

3）外部控制器从LPC530读数据（从机向主机传输）。当从机向主机传输数据时，由从机发出数据传输请求，主机进行数据传输响应，并产生SCLK信号。各动作如表6所示时序。

5 结语

本模块为教仪开放使用控制系统中的RFID读卡模块，采用P89LPC931微控制器和MF RC530读写芯片，可以通过标准RS232或SPI三线接口与外部控制器进行通信，经验证，其读写卡距离>3 cm，是一种通用小型、低功耗、低成本的高频RFID读卡模块，也可作为其他RFID应用系统化中的读写模块。

参考文献

[1]况夫容，钟晓玲.基于RFID技术的智能多媒体控制系统的应用研究[J].中国集成电路，2013（11）：71-74，81.

[2]鲍茂潭，赵春江，薛美盛，等.用于农产品信息管理的RFID读写器设计[J].电子技术应用，2008（3）：68-71.

[3]唐洪富.基于LPC系列单片机的串口扩展器设计[J].微型机与应用，2015，34（13）：97-99

[4]程伟，何俊华.基于MFRC530的非接触式IC读卡系统设计[J].微计算机信息，2009（14）：276-277.